Իդեալական գազի վիճակի հավասարումը. Իզոպրոցեսները գազերում

2024 Հեղինակ: Angel Austin | [email protected]. Վերջին փոփոխված: 2023-12-17 05:30

Մեզ շրջապատող նյութի գազային վիճակը նյութի երեք տարածված ձևերից մեկն է: Ֆիզիկայի մեջ ագրեգացման այս հեղուկ վիճակը սովորաբար դիտարկվում է իդեալական գազի մոտավորությամբ։ Օգտագործելով այս մոտավորությունը՝ հոդվածում նկարագրում ենք գազերում հնարավոր իզոպրոցեսները։

Իդեալական գազ և այն նկարագրելու համընդհանուր հավասարում

Իդեալական գազ է համարվում այն գազը, որի մասնիկները չափեր չունեն և չեն փոխազդում միմյանց հետ: Ակնհայտ է, որ չկա ոչ մի գազ, որը ճշգրիտ բավարարում է այս պայմաններին, քանի որ նույնիսկ ամենափոքր ատոմը` ջրածինը, ունի որոշակի չափ: Ավելին, նույնիսկ չեզոք ազնիվ գազի ատոմների միջև կա թույլ վան դեր Վաալսի փոխազդեցություն։ Հետո հարց է առաջանում՝ ո՞ր դեպքերում կարելի է անտեսել գազի մասնիկների չափերը և դրանց փոխազդեցությունը։ Այս հարցի պատասխանը կլինի հետևյալ ֆիզիկաքիմիական պայմանների պահպանումը`

• ցածր ճնշում (մոտ 1 մթնոլորտ և ցածր);
• բարձր ջերմաստիճան (սենյակային ջերմաստիճանի շուրջ և ավելի բարձր);
• Մոլեկուլների և ատոմների քիմիական իներտությունգազ.

Եթե պայմաններից գոնե մեկը չի կատարվում, ապա գազը պետք է իրական համարել և նկարագրել հատուկ վան դեր Վալսի հավասարմամբ:

Մենդելեև-Կլապեյրոն հավասարումը պետք է դիտարկել նախքան իզոպրոցեսներն ուսումնասիրելը: Իդեալական գազի հավասարումը նրա երկրորդ անունն է: Այն ունի հետևյալ նշումը՝

PV=nRT

Այսինքն՝ այն կապում է երեք թերմոդինամիկական պարամետր՝ ճնշում P, ջերմաստիճան T և V ծավալ, ինչպես նաև նյութի n քանակությունը։ R նշանն այստեղ նշանակում է գազի հաստատուն, այն հավասար է 8,314 J / (Kmol):

Ի՞նչ են իզոպրեսսները գազերում:

Այս գործընթացները հասկացվում են որպես գազի երկու տարբեր վիճակների (սկզբնական և վերջնական) անցումներ, որոնց արդյունքում որոշ քանակություններ պահպանվում են, իսկ մյուսները՝ փոխվում։ Գազերում կա իզոպրեսսի երեք տեսակ՝

• իզոթերմ;
• իզոբարիկ;
• իզոխորիկ.

Կարևոր է նշել, որ դրանք բոլորը փորձնականորեն ուսումնասիրվել և նկարագրվել են 17-րդ դարի երկրորդ կեսից մինչև 19-րդ դարի 30-ական թվականներն ընկած ժամանակահատվածում։ Ելնելով այս փորձարարական արդյունքներից՝ Էմիլ Կլապեյրոնը 1834 թվականին ստացավ գազերի համար համընդհանուր հավասարում։ Այս հոդվածը կառուցված է հակառակը. կիրառելով վիճակի հավասարումը, մենք ստանում ենք իզոպրեսսների բանաձևեր իդեալական գազերում:

Անցում հաստատուն ջերմաստիճանում

Դա կոչվում է իզոթերմային գործընթաց: Իդեալական գազի վիճակի հավասարումից հետևում է, որ փակ համակարգում հաստատուն բացարձակ ջերմաստիճանի դեպքում արտադրանքը պետք է մնա հաստատուն.ծավալը ճնշման նկատմամբ, այսինքն՝

PV=Const

Այս հարաբերությունները իսկապես նկատվել են Ռոբերտ Բոյլի և Էդմ Մարիոտի կողմից 17-րդ դարի երկրորդ կեսին, ուստի ներկայումս գրանցված հավասարությունը կրում է նրանց անունները:

Ֆունկցիոնալ կախվածությունները P(V) կամ V(P), որոնք արտահայտված են գրաֆիկորեն, նման են հիպերբոլաների: Որքան բարձր է ջերմաստիճանը, որում իրականացվում է իզոթերմային փորձը, այնքան մեծ է PV արտադրանքը։

Իզոթերմային գործընթացում գազը ընդլայնվում է կամ կծկվում՝ աշխատանք կատարելով առանց իր ներքին էներգիան փոխելու։

Անցում հաստատուն ճնշման տակ

Այժմ եկեք ուսումնասիրենք իզոբարային գործընթացը, որի ընթացքում ճնշումը պահվում է հաստատուն։ Նման անցման օրինակ է մխոցի տակ գտնվող գազի ջեռուցումը: Տաքացման արդյունքում մասնիկների կինետիկ էներգիան մեծանում է, նրանք սկսում են ավելի հաճախ ու ավելի մեծ ուժով հարվածել մխոցին, ինչի արդյունքում գազը ընդլայնվում է։ Ընդարձակման գործընթացում գազը կատարում է որոշակի աշխատանք, որի արդյունավետությունը կազմում է 40% (միատոմ գազի համար):

Այս իզոպրեսսի համար իդեալական գազի վիճակի հավասարումն ասում է, որ պետք է պահպանվի հետևյալ հարաբերությունը.

V/T=Const

Հեշտ է ստանալ, եթե մշտական ճնշումը փոխանցվում է Կլապեյրոնի հավասարման աջ կողմում, իսկ ջերմաստիճանը՝ ձախ: Այս հավասարությունը կոչվում է Չարլզի օրենք։

Հավասարությունը ցույց է տալիս, որ V(T) և T(V) ֆունկցիաները գրաֆիկների վրա ուղիղ գծերի տեսք ունեն: V(T) գծի թեքությունը աբսցիսայի նկատմամբ կլինի որքան փոքր, այնքան մեծ կլինի ճնշումըP.

Անցում հաստատուն ծավալով

Գազերում վերջին իզոգործընթացը, որը մենք կքննարկենք հոդվածում, իզոխորիկ անցումն է: Օգտագործելով Կլապեյրոնի համընդհանուր հավասարումը, այս անցման համար հեշտ է ստանալ հետևյալ հավասարությունը՝

P/T=Const

Իզոխորիկ անցումը նկարագրված է Գեյ-Լուսակի օրենքով: Տեսանելի է, որ գրաֆիկորեն P(T) և T(P) ֆունկցիաները ուղիղ գծեր են լինելու։ Բոլոր երեք իզոխորային պրոցեսների մեջ իզոխորիկը ամենաարդյունավետն է, եթե անհրաժեշտ է բարձրացնել համակարգի ջերմաստիճանը արտաքին ջերմության մատակարարման պատճառով։ Այս պրոցեսի ընթացքում գազը չի աշխատում, այսինքն՝ ողջ ջերմությունը կուղղվի համակարգի ներքին էներգիայի ավելացմանը։